煤礦生產系統安全評價體系的構建及其應用

李峰鴿,劉小開

(新疆中巖恒泰爆破工程有限公司,烏魯木齊 830000)

井工煤礦在實際生產中存在著瓦斯爆炸、瓦斯窒息、冒頂片幫等多種安全隱患,盡管造成礦井災害事故成因各不相同,但造成事故的因素卻是相互影響、相互制約的[1]。新疆某地區一所資源整合煤礦的井田按井筒及大巷的煤柱分為兩個盤區,首采區位于井田中段主采二1號煤層。為提高煤礦安全生產水平,需及時全面地對礦山進行定性與定量安全評價,以此為保障礦山生產安全提供指導[2]。

1 礦井危險因素

1.1 冒頂片幫

二1號煤層直頂板以砂巖為主,厚度為0.49～36.29 m,017探線與013探線西側占整個井田的66%,巖性中等至粗砂巖,硬度系數f=8～10,煤層裂縫不發育,巖體穩定,波動小。因其厚度大,強度差,在工作面上、下兩條順槽均沿著頂板掘進。二1煤層中有少量的泥巖及砂質泥巖偽頂,采時出落,故在工作面上易出現冒頂現象。局部分布的砂泥巖型直接頂板,極易發生塌方,造成工人受傷。在斷裂帶附近開采或巷道通過斷層時,如果沒有及時支護及安全措施,很可能會出現冒頂片幫,導致事故發生[3]。

1.2 煤與瓦斯突出

煤礦與瓦斯突出是由外部力量打破原有煤體的平衡而引起的突然爆發,煤層中的有毒氣體夾雜著煤炭及石塊從煤層中冒出來,將來不及躲閃的人與設備掩埋,高濃度的瓦斯很快充斥整個通道,當氧氣含量下降到12%時,受困人員會因缺氧而窒息。該煤礦為煤與瓦斯的突出地,二1煤層為煤與瓦斯突出煤。煤礦瓦斯排放是煤礦的主要安全風險。

1.3 瓦斯爆炸

瓦斯爆炸一般發生在煤礦工作面、工作面上偶角、裝有機械設備的回風巷,主要原因是由于這些部位的氣體易于聚集,當氣體濃度超過限制時,遇到電器設備失爆、短路火花、爆破火焰或明火等引起瓦斯爆炸。根據2022年度的評估,該礦瓦斯濃度為20.29 m3/min,相對瓦斯釋放量為17.76 m3/t。整個礦山CO2的絕對噴出量分別為7.4 m3/min、6.48 m3/t。瓦斯與空氣在一定濃度下遇明火發生爆炸,故瓦斯爆炸是該煤礦安全生產的主要危險因素。

1.4 煤塵爆炸

煤塵爆破應滿足以下條件:煤灰是一種可爆炸的物質,煤塵的爆炸下限為30～50 g/m3,上限為1500～2000 g/m3,微量煤灰的起爆火源在610 ℃～1015 ℃及700 ℃～900 ℃。二1煤層在生產中存在著煤塵爆炸危險。

1.5 水災

礦井水災是煤礦安全的主要危險因素,主要表現為突水、滲水及崩水[4]。該煤礦水災風險為頂板上含水層突水及斷裂突水。該礦山直接充水煤層含水層為底部太原組石灰巖含水層,頂板砂巖含水層含水量低,來水量約50 m3/h。該礦田中斷層多為導水斷裂,當開采活動臨近大型導水斷裂時,如果不及時進行注漿加固會發生突水,嚴重時會淹沒采區或井下。

1.6 火災

引發煤礦火災包括內部原因及外部原因[5]。經鑒定,二1煤層為難自燃煤層,但如果管理不當,煤層開采容易發生緩慢的氧化,熱量不易逸散,導致自然發火。外部原因包括爆破作業、電器設備短路、氣割焊接、干鉆眼、機電設備運轉不良、摩擦生熱等,都會導致礦井火災及瓦斯煤塵爆炸,危害性較大,應重點防范。礦井火災的主要發生地為采礦作業面、鋪設電纜的巷道、機電硐室、采空區、廢棄煤巷等。

2 定性與定量評價

對該煤礦的危害因子進行分析,將其分為冒頂片幫、瓦斯突出、瓦斯爆炸、煤塵爆炸、火災、水災等單元,按照安全評估單元的劃分,分別采用安全檢查表法與事故樹分析法對其進行定性與定量評價。

2.1 定性評價

通過與評估的礦井現場調研對比,采用安全檢查表法,確定各評估子級單位是否達到要求,指出當前的安全隱患,得出評估結論,提出相應的安全措施。以通風系統安全檢查為例,根據該煤礦礦井通風系統的實際情況,依據《煤礦安全規程》等相關法律法規及煤炭行業標準對礦井通風系統進行安全檢查,確定造成礦井安全隱患的主要原因,編制安全檢查項目并確定檢查內容進行檢驗與分析,得出結論,給出建議。詳見表1。

表1 通風系統安全檢查Tab.1 Ventilation system safety check

煤礦通風設備齊全,自給自足,各主要通風口都是一次備用,一次使用,運行情況良好,供風量基本滿足安全生產及工業衛生需求。使用該安全檢查表對18個項目進行檢驗均合格,合格率100%。

2.2 定量評價

針對該礦瓦斯爆炸危險性采用基于事件樹的方法對其進行風險評估[6]。

2.2.1 繪制事故樹分析圖

運用事故樹方法對系統內的各類內在危險因子、危險程度、原因進行調查,為下一步的設計制定技術對策,以便制定相應的安全管理措施,掌握事故原因。按照事故樹的編寫原理及程序編制瓦斯爆炸事故樹解析圖,如圖1所示。

圖1 瓦斯爆炸事故樹Fig.1 Gas explosion accident tree

2.2.2 瓦斯爆炸事故樹的定量分析

求瓦斯爆炸最小割集。用布爾代數法,事故樹的最小割集如下:

T=x29x30M1M2

=x29x30(M3+M4+x8+x9+M5)M2

=x29x30[(x1+x2+x3+x4+x5)+(x6+x7+x10x11x12)+x8+x9+(x13+x14+x15)]M2

=x29x30(x1+x2+x3+x4+x5++x6+x7+x8+x10x11x12+x9+x13+x12+x13)·(x16+x17+x18+x19+x20+x21+x22+x23+x24+x25+x26+x27+x28)

(1)

分解上式可得最小割集,組數為169組。進一步求瓦斯爆炸最小徑集,其中6個最小割集即為事故樹的6組最小的徑集,即

P1={x29};P2={x30}

P3={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x13,x14,x15};

P4={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x11,x13,x14,x15};

P5={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x12,x13,x14,x15};

P6={x16,x17,x18,x19,x20,x21,x22,x23,x24,x25,x26,x27,x28}

(2)

2.2.3 頂上事件發生概率

基本事件概率見表2。

表2 基本事件概率Tab.2 Basic event probability

(3)

式中,NG為系統中最小徑集數,r為最小徑集序數,i為基本事件序數,xi∈p為第i個基本事件屬于第r個最小徑集,qi為第i個基本事件的概率。

根據式(3)求得頂上事件的發生概率為:g=0.000004184。

2.2.4 瓦斯爆炸結構重要度分析

不同的基本事件在130組割集中出現頻率大小表明了該基本事件在瓦斯爆炸事故發生中的重要程度。X1、X2、X3、X4、X5、X8、X9出現在13組割集中,X6出現在38組割集中。概率重要度系數為:

(4)

式中,Ig(i)為基本事件i的概率重要度系數,P(T)為頂事件發生概率,qi為基本事件i發生概率。

基本事件概率重要度系數根據式(4)計算,設計過程中使用FreeFTA軟件計算。

2.2.5 瓦斯爆炸事故樹結果定量評價

故障樹的數量超過80%。從定義可知,大多數單一的基礎事件都具有輸出,如果局部扇形停止(X1),則會引起煤層的瓦斯聚集(M3)。最小割集的最小分集數目為169個,說明存在169條可能途徑。該礦采煤工作面采高、煤巷開挖面采用放炮,二1煤層瓦斯含量高,礦井下有多種機械作業,在采煤機、掘進面放炮時會噴出大量瓦斯,如果管理不當,很容易引起各種火花、摩擦、撞擊、放炮等,導致瓦斯爆炸。

3 結束語

采用安全檢查表法及事故樹方法進行定性定量評價了某礦安全生產現狀。該煤礦由于開采深度大、礦壓顯現較為強烈,易導致片幫冒頂、支架變形損壞的發生,巷道及采煤工作面不易維護,給礦井安全生產帶來了一定的隱患。建議在施工過程中充分利用正面偵察梁等臨時支撐,采用噴漿等臨時支護。應制訂安全技術措施,以避免主通風機及部分通風機無計劃停電、停風,避免瓦斯超限、瓦斯積聚。消除盲巷及不合理的擴散通風,對臨時停風巷進行封閉或在巷口設置柵欄及警示標志,避免瓦斯聚集,造成瓦斯事故。